Szybciej niż światło

Prawo Moore'a głosi, że moc obliczeniowa komputerów podwaja się co 18 miesięcy. Oznacza to, że za trzy lata będziemy pracowali na komputerach czterokrotnie wydajniejszych niż współczesne pecety, a za dziesięć lat ich szybkość wzrośnie sto razy. Czy jednak taki dynamiczny rozwój informatyki może trwać w nieskończoność? Przed pięćdziesięciu laty nikt nie mógł przypuszczać, do jakiego […]

Prawo Moore’a głosi, że moc obliczeniowa komputerów podwaja się co 18 miesięcy. Oznacza to, że za trzy lata będziemy pracowali na komputerach czterokrotnie wydajniejszych niż współczesne pecety, a za dziesięć lat ich szybkość wzrośnie sto razy. Czy jednak taki dynamiczny rozwój informatyki może trwać w nieskończoność?

Przed pięćdziesięciu laty nikt nie mógł przypuszczać, do jakiego stopnia niepozorny na pierwszy rzut oka wynalazek – tranzystor – zmieni nasz świat. Dzisiaj nie sposób już sobie wyobrazić funkcjonowania współczesnego, wysoko rozwiniętego społeczeństwa bez układów scalonych i procesorów. Zachwycając się jednak coraz większymi częstotliwościami zegarów, prędkościami transmisji czy gigantycznymi pojemnościami pamięci operacyjnej i masowej, musimy zdawać sobie sprawę z jednego – rozwój elektroniki bazującej na krzemie jest ograniczony. Nie wynika to bynajmniej z przeszkód technologicznych, które wcześniej czy później można pokonać. Istota problemu leży w samej naturze otaczającego nas świata. Schodząc z szerokością ścieżek do wymiarów około 0,05 mikrometra, inżynierowie staną przed barierą nie do pokonania – prawa fizyki, a dokładniej mechaniki kwantowej (tzw. efekt tunelowania elektronów), zabraniają budowy szybszych urządzeń o mniejszych rozmiarach.

Co się zatem stanie, gdy „krzemowa elektronika” zbliży się do owej magicznej granicy? Wbrew pozorom nie jest to problem odległy w czasie. Obecnie firmy produkujące układy scalone wykorzystują technologię 0,18 mikrona i są przygotowane do rozpoczęcia produkcji kości o szerokości ścieżek 0,13 mikrometra. W laboratoriach trwają zaś prace nad układami 0,08 i właśnie 0,05 mikrometra. Dlatego już dzisiaj prowadzone są intensywne poszukiwania nowych materiałów mogących zastąpić znane półprzewodniki. Uwaga naukowców skupiona jest przede wszystkim na półprzewodnikach polimerowych, materiałach organicznych czy wręcz układach molekularnych (patrz: CHIP 11/98, s. 54). Co nas więc czeka w najbliższej przyszłości? Logiczna bramka na pojedynczej cząsteczce? Układ scalony wykonany wyłącznie z tworzywa sztucznego? Elektronika typu neuronowego? A może lepiej, jak sugeruje większość naukowców oraz inżynierów, zrezygnować z elektronów i pomyśleć o dużo szybszych nośnikach informacji?

Fotonika – nauka przyszłości

Jak pamiętamy z lekcji fizyki, fotony należą do najszybszych znanych cząstek elementarnych. Poruszają się z prędkością światła i nie oddziałują na siebie wzajemnie. Tworzą nie tylko obrazy, ale również przenoszą informacje na duże odległości. Fotonika zaś, podobnie jak elektronika w przypadku elektronów, to dział nauki i techniki obejmujący praktyczne wykorzystanie właściwości światła do konstruowania urządzeń zdolnych do przetwarzania danych i samodzielnego sterowania różnego rodzaju procesami optycznymi.

Jako nauka fotonika jest w przededniu wielkiego rozkwitu, a jej stan rozwoju porównać można do poziomu elektroniki we wczesnych latach czterdziestych XX wieku. Ludzie posiadali już wtedy niezbędną wiedzę, aby zbudować komputery (pierwszy na świecie komputer – ENIAC – powstał w 1943 roku). Podobnie obecny stan wiedzy, zarówno teoretycznej, jak i praktycznej, pozwala budować komputery optyczne spełniające wszystkie wymogi stawiane przyszłym komputerom nowej generacji. Dużo wiadomo o fotonicznych procesach logicznych oraz znane są materiały, które można użyć do konstrukcji procesorów optycznych (patrz: CHIP 3/2000, s. 54) lub do przechowywania ogromnych ilości informacji (patrz: CHIP 11/98, s. 54; CHIP 6/2000 s. 116). Jednak wszystkie te rozwiązania są wciąż w fazie prototypów, ale, co najważniejsze, bardzo sprawnie działających – podobnie jak ENIAC przed ponad 50 laty.

Holograficzne kino, czyli optyczna pamięć RAM

W komputerach optycznych fotony, podobnie jak elektrony w tradycyjnej elektronice, spełnią funkcję nośników informacji. Do długotrwałego przechowywania danych niesionych przez światło można z powodzeniem wykorzystać klasyczne już dyski DVD lub techniki holograficzne (patrz: CHIP 6/2000, s. 116). Jednak aby zbudować działające procesory optyczne lub pamięci typu RAM, trzeba posłużyć się tzw. dynamicznymi procesami holograficznymi.

Podobnie jak w przypadku bramek elektronicznych, układy optyczne pozwalają realizować dowolne funkcje logiczne. Przedstawione na rysunkach eksperymentalne konfiguracje umożliwiają przeprowadzenie logicznej koniugacji (AND), alternatywy (OR), przeczenia (NOT) czy zanegowanej alternatywy (NOR). Wejścia układów optycznych stanowią wiązki sygnałowe, które mogą być całymi obrazami. Operacje logiczne zachodzą w materiale aktywnym optycznie poprzez jednoczesny zapis i odczyt dynamicznego hologramu. Na wyjściu otrzymujemy rezultat przeprowadzonego działania matematycznego w postaci odpowiedniego obrazu. Połączenie kilku tysięcy pojedynczych bramek może tworzyć optyczny procesor.

Holografia dynamiczna, nazywana też w literaturze naukowej holografią w czasie rzeczywistym, w przybliżeniu jest niczym innym jak bardzo szybko wykonywanym zapisem holograficznym z jednoczesnym odczytem obrazu. Modyfikacja typowego układu do zapisu hologramów (patrz: CHIP 6/2000, s. 116) sprowadza się jedynie do zastosowania – oprócz wiązki referencyjnej i sygnałowej – trzeciej wykorzystywanej do odczytu. Jednak praktyczna realizacja holografii dynamicznej wymaga użycia odpowiednich materiałów. Muszą one cechować się pełną odwracalnością procesów optycznych, czyli – innymi słowy – zapewnić wielokrotny zapis i odczyt hologramu na tym samym obszarze. Ponadto proces zapamiętywania obrazu w materiale holograficznym powinien być dostatecznie szybki i efektywny, tak aby można było natychmiast (już w trakcie zapisu) odczytywać informacje. Kasowanie danych wykonuje się równie szybko – poprzez wyłączenie jednej z wiązek (np. sygnałowej) lub oświetlając hologram światłem laserowym o innej długości fali. Co to oznacza w praktyce? Wyobraźmy sobie, że w trakcie zapisu „fotografowany” przedmiot zostaje przesunięty lub zmienione zostały (np. przetworzone przez procesor) wprowadzone do promienia laserowego dane cyfrowe. Wówczas wystarczy jedynie na ułamek mikrosekundy wyłączyć jedną z wiązek, a zapisana informacja ulegnie zmianie – jest to, jak widać, funkcjonalny odpowiednik pamięci RAM.

Konstruując optyczną pamięć operacyjną, niejako przy okazji otrzymuje się bardzo ciekawe urządzenie – trójwymiarowy projektor holograficzny. Wystarczy zauważyć, że dzięki holograficznej pamięci RAM można otrzymać przestrzenne obrazy w określonych miejscach w dowolnym czasie. To w połączeniu z „klasycznymi” pamięciami holograficznymi, które już teraz potrafią zapamiętać pełnometrażowy film 3D, umożliwi – jak się obecnie wydaje – zbudowanie trójwymiarowego holokina już w ciągu najbliższych kilku lat.

Jak zmusić światło do liczenia?

Wiedząc już, jak wykonać holograficzną pamięć operacyjną, można zastanowić się nad stworzeniem procesora optycznego. Pierwszym, najprostszym pomysłem jest zastosowanie właściwego układu optycznego do skonstruowania „świetlnych” odpowiedników bramek logicznych, znanych dobrze z klasycznej elektroniki.

Wszystkie operacje logiczne, takie jak AND, OR, NOT, NOR, realizuje się w tzw. układzie mieszania dwóch fal (patrz ramka: „Optyczne operacje logiczne”). Wiązki zapisujące pełnią funkcję układów wejściowych (szyny danych). Transformacje informacji dokonują się wewnątrz materiału holograficznego, a promień odczytujący jest odpowiednikiem tradycyjnych modułów wyjściowych. W zależności od konfiguracji układu optycznego można wykonać odpowiednie operacje logiczne – przyjmuje się, że obszar jasny (oświetlony) to logiczna jedynka, obszar ciemny zaś odpowiada zeru. Łączenie układów optycznych jest niezwykle proste, gdyż fotony, w przeciwieństwie do elektronów, nie wymagają użycia specjalnych przewodników – wystarczy usunąć wszelkie przeszkody mogące zatrzymać lub odbić światło. W praktyce, aby zminimalizować końcowe rozmiary procesora, wykorzystuje się światłowody. Innym sposobem na upakowanie milionów bramek na niewielkiej powierzchnii (np. na płaskiej płytce polimerowej) jest zastosowanie tzw. optyki planarnej – miniaturowe układy optyczne oraz światłowody nanosi się na powierzchnię substratu (płytki) za pomocą technik cienkowarstwowych. Konstrukcję całego urządzenia można dodatkowo uprościć, wiedząc, że iloczyn logiczny (AND) i przeczenie (NOT) są wystarczające do przeprowadzenia dowolnie skomplikowanych operacji matematycznych i funkcji logicznych.

Procesor optyczny zaprojektowany przy wykorzystaniu opisanych tu bramek logicznych pod względem funkcjonalnym w niczym nie będzie się różnił od klasycznych jednostek centralnych, stosowanych we współczesnych komputerach. Oczywiście jego podstawową zaletą będzie działanie z prędkością światła, jednak tak wykonany CPU nie wykorzysta nawet części z potencjału mocy obliczeniowej drzemiącej w technice holograficznej – równoległego przetwarzania ogromnych ilości danych.

Autor jest członkiem Zespołu Optyki Nieliniowej – Instytut Chemii Fizycznej i Teoretycznej Politechniki Wrocławskiej

Info
Grupy dyskusyjne
Uwagi i komentarze do artykułu:
#
Pytania techniczne do zagadnień poruszanych w tekście:
#
Internet
Ośrodki badawcze zajmujące się holografią dynamiczną:
http://optics.caltech.edu/
http://www-mpl.sri.com/topics/optmem.html
http://optics.colorado.edu/
http://opticb.uoregon.edu/~moswww/
Optics Letters Online:http://ojps.aip.org/journals/doc/OPLEDP-home/top.html
Literatura
Michio Kaku (w tłumaczeniu Karola Pesza), „Wizje, czyli jak nauka zmieni świat w XXI wieku”, Prószyński i S-ka, Warszawa 2000
0
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.